2026, Vol. 48
随着北极东北航道通航窗口期延长及LNG、原油运输需求激增，极地破冰型LNG船、PC3级油船及极地甲板运输船等主力船型面临更为严峻的挑战，其中，船冰碰撞引发的动态冰载荷是威胁装备安全的关键因素。针对装备与海冰相互作用衍生的冰载荷问题，当前研究方法主要包括理论解析、数值仿真、现场实测及冰水池模型试验[1 − 4]。其中，冰水池试验通过精准构建低温海洋环境，制备满足缩尺比要求的物理模型冰，模拟真实海域冰况条件，进而对结构-冰相互作用过程中的冰载荷分布、结构动力响应与破坏机理进行高精度测量与分析，已成为验证理论模型、指导工程实践的关键技术手段。在船-冰碰撞等典型动态载荷工况中，冰体压缩破坏占据主导地位。因此，模型冰的单轴压缩强度是决定冰载荷模拟可靠性的核心力学参数。
在盐水冰方面，陈晓东等[5]针对渤海东北部海域的平整冰开展了现场单轴压缩试验，天然海冰在低应变速率时发生脆性破坏，随着应变速率的增加，海冰的破坏模式表现出由韧性破坏向脆性破坏的转化现象，该研究为船冰相互作用数值模型提供了重要的现场数据支撑。田于逵等[6]在小型冰水池中开展了柱状盐冰的单轴压缩试验，系统分析了柱状盐水模型冰的单轴压缩强度，涵盖其破坏模式、断裂行为及压缩强度对应变率的依赖性等方面。Wang等[7]基于北极科考钻取的冰芯实验，建立了应变率-孔隙率强度预测模型，并据此提出了垂向极限强度的关键参考值。综上，现有研究主要聚焦于应变率与孔隙率效应，尚未涉及温度对盐水冰压缩行为的调控机制。
在淡水冰方面，罗天一等[8]验证了采用低温恒温箱制备类天然冰晶体结构的人工冰进行冰单轴压缩强度测试的可行性。周庆[9]针对冰的单轴压缩强度与加载速率、加载方向、尺寸及密度等关键参数进行了系统研究，为涉冰结构设计提供了关键设计参数依据。徐佩等[10]对不同材质模型冰进行了单轴压缩强度测试，对比分析了试样的压缩强度与破坏模式，并据此为船舶冰-螺旋桨切削试验的模型冰选型提供了依据。张丽敏等[11]测试了−30～−5 ℃人工淡水冰单轴压缩强度，发现冰的破坏应力随着试验温度的降低而增大。尽管上述研究取得了进展，但针对船冰碰撞模型试验的需求，系统对比宽温度范围（−30～−10℃）内淡水冰与盐水冰压缩力学性能（强度、破坏模式及转变规律）的研究仍显不足，而这一对比对精准模拟不同海域、不同工况下的船冰碰撞载荷至关重要。
针对上述问题，本研究采用人工制备的无气泡淡水冰与盐水冰为研究对象，通过可控温环境下的单轴压缩实验，探究−30～−10 ℃温度区间内不同应变率（6.944×10−6～6.944×10−2 s−1）对两类冰应力-应变响应的影响。
1 试验设备及方法本试验分别使用蒸馏水与30‰盐度的盐水，采用整体成冰工艺制备冰试样，以模拟天然冰的晶体生长机理及结构特征，降低人工制冰过程中可能产生的内部应力集中现象。通过严格控制温度与加载速率等关键试验参数，进行单轴压缩试验，系统分析冰试样的压缩强度、应力-应变曲线及破坏模式，从而为船冰碰撞模型试验中选择模型冰提供直接的数据支撑。
1.1 试验设备试验设备主要包括步入式超低温试验箱、力学试验机、锯骨机。其中，步入式低温箱为CK-BRCDW-31D的步入式超低温试验箱，最低工作温度可达−60℃，调节的精度为±0.1℃，用于冰试样的制备及试验过程中所需环境温度的维持，如图1所示；力学试验机采用Byes-3050D型电子万能试验机，最大试验力为50 kN，速度范围为0.001～1000 mm/min，主要用于开展冰的单轴压缩试验；锯骨机用于冰试样的切割加工，切割精度±0.1 mm。
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图 1 步入式超低温试验箱 Fig. 1 Walk-in ultra-low temperature test chamber |
依据ITTC-2017（7.5-02-04-02）建议[12]，选用尺寸为120 mm×60 mm×30 mm的标准冰试样（长度×宽度×厚度=4h×2h×h，h为冰厚）。为最大限度地模拟天然冰的晶体生长机理及结构特征，采用整体成冰的方法进行试样制备。具体操作流程如下：首先选用具有隔热特性的聚苯乙烯泡沫箱（长度×宽度×高度=590 mm×470 mm×390 mm）作为成型模具；随后在−15℃恒温低温箱中进行梯度冻结，实现冰晶有序生长，经120 h连续冻结形成结构完整的完整冰体；随后采用锯骨机对原始冰坯进行二次加工，依据实验方案要求切割出符合预设几何尺寸的标准试样。该方法通过大体积整体成冰有效降低了人工制冰过程中可能产生的内部应力集中现象，为后续力学性能测试提供了可靠的实验样本。
根据文献[13]可知，渤海海水和北极海水的盐度分别为28‰～31‰和30‰～32‰，为兼顾不同海域的盐度特征并提升实验代表性，故本文选取中间值30‰作为基准盐度参数，图2为冰试样的制作过程及力学性能测试流程。
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图 2 试验流程图 Fig. 2 Test flow chart |
试验前，将试样置入步入式超低温试验箱恒温24 h以上，使其充分达到热平衡。试验时，为保证加载的均匀性与轴线性，采用在固定底座上标记试样位置的方法。
2 试验结果与分析基于冰的脆性-延性行为响应特征并参考冰水池模拟研究[6]，本文将单轴压缩试验的应变率划分为3个特征区间：准静态区（6.944×10−6 s−1）、过渡区（4.17×10−3 s−1）及动态区（6.944×10−2 s−1）。为覆盖上述目标应变率范围，试验中采用加载速率在0.05～500 mm/min之间进行调控。具体地，低、中、高应变率区间分别对应0.05～5、10～100、150～500 mm/min的加载速率设定。
2.1 不同温度下的淡水冰试验结果1）−10℃下淡水冰
在低应变速率阶段（小于4.16×10−4 s−1），强度随应变速率升高而线性增长。应变速率达到4.16×10−4 s−1时，强度达到峰值并发生转折，此后随应变速率增加呈下降趋势。在中等应变速率区间（4.16×10−4～3.61×10−2 s−1），拟合曲线虽整体下降，但数据点离散性显著。当应变速率超过3.61×10−2 s−1后，数据离散性减小。总体而言，淡水冰压缩强度随应变速率的增加呈先升后降的特征，如图3所示。
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图 3 −10℃淡水冰的压缩强度 Fig. 3 Compressive strength of freshwater ice at −10℃ |
低加载速率（0.05～1 mm/min）时，应力持续上升至峰值后，随应变增加呈现缓慢下降，并伴随显著的塑性变形（表现为较长的下降段和持续的应变增大），应力-应变曲线表现出典型的蠕变破坏特征。随着加载速率的增加（v＞3 mm/min），应力-应变曲线呈现急速上升后断崖式跌落特征，表征典型的脆性破坏机制（材料内部微裂纹快速扩展贯通导致整体失稳破坏），如图4所示。
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图 4 −10℃淡水冰的应力-应变曲线 Fig. 4 Stress-strain curve of −10℃ freshwater ice |
在低加载速率阶段（v=0.05～1 mm/min），所有试样均呈现典型劈裂破坏模式。试样在加载初期，表面较为完整，随着加载的进行，冰内部开始出现一些微小的裂纹，这些裂纹逐渐扩展和聚集，试样整体发生较为明显的塑性变形。随着加载速率增至1 mm/min，裂纹沿着一定的方向扩展，新生裂纹的扩展与合并会导致局部区域产生层状剥离现象，但试样并没有完全断裂，仍然保持一定的整体性。当进入中等加载速率区间（v=10～100 mm/min）。试样在加载过程中，表面逐渐出现一些明显的裂纹，尤其是在试样的中部和两侧，裂纹较为密集，并且沿着一定的方向快速扩展。当达到一定应力后，试样发生断裂，断裂面呈现出一定的粗糙度，且断裂位置较为明显。在高速加载条件下（v＞100 mm/min），试样破坏模式转变为脆性碎裂。受限于加载时间窗口，裂纹扩展过程难以完整观测，但可以显示裂纹以雪崩式扩展特征贯穿试样，导致试样在极短时间内发生结构性解体，最终仅形成具有棱角特征的碎屑集合体，如图5所示。
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图 5 −10℃淡水冰的典型破坏特征 Fig. 5 Typical failure characteristics of −10℃ freshwater ice |
2）−20℃下淡水冰（见图6）
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图 6 −20℃淡水冰的压缩强度 Fig. 6 Compressive strength of freshwater ice at −20℃ |
同−10℃淡水冰相比，−20℃淡水冰的压缩强度-应变速率关系曲线、应力-应变和破坏模式，呈现相同的变化趋势。但−20℃淡水冰压缩强度峰值提高了97%，由2.61 MPa提升至5.14 MPa。
3）−30℃下淡水冰（见图7）
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图 7 −30℃淡水冰的压缩强度 Fig. 7 Compressive strength of freshwater ice at −30℃ |
同−10℃和−20℃淡水冰相比，−30℃淡水冰的压缩强度-应变速率关系曲线、应力-应变和破坏模式，呈现相同的变化趋势。但−30℃淡水冰压缩强度峰值提高了40.2%，由5.14 MPa提升至7.21 MPa。
2.2 不同温度下的盐水冰试验结果1）−10℃下盐水冰
图8为−10℃盐水冰压缩强度-应变速率关系曲线。总体而言，其强度随应变速率增加呈先升后降的趋势，与淡水冰（见图3）的变化规律基本一致。然而，盐水冰的压缩强度显著低于淡水冰：盐水冰的峰值强度为1.56 MPa，而淡水冰则达2.61 MPa，表明盐分导致冰的压缩强度降低了约40%。同时盐水冰在低应变速率区间，强度随速率增加上升速率较慢，曲线相对平缓，达到峰值后，强度下降幅度也较小；淡水冰在低应变速率区间，强度上升较快，达到峰值后，强度下降幅度较大，且整体曲线波动更明显，尤其在高应变速率区间强度下降更为急剧。这反映了盐水冰与淡水冰在不同应变速率下的力学行为特点：盐水冰的力学性能相对稳定，而淡水冰则对应变速率变化更为敏感。
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图 8 −10℃盐水冰的压缩强度 Fig. 8 Compressive strength of brine ice at −10℃ |
在低加载速率阶段（见图9(a)），应力随应变持续上升至峰值，随后缓慢下降，且峰值应力随速率增加而略有升高，整体曲线变化平缓，呈现典型的蠕变破坏特征；与淡水冰（见图4）相比，盐水冰应力峰值后的下降趋势明显更缓。在中等和高加载速率阶段（见图9(b)～图9(c)），在加载速率为10 mm/min时，仍呈现出蠕变破坏特征；当加载速率在大于10 mm/min时，应力随应变持续上升至峰值后发生断崖式跌落，表征出典型的脆性破坏。
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图 9 −10℃盐水冰的应力-应变曲线 Fig. 9 Stress-strain curve of brine ice at −10℃ |
总体而言，2种冰的应力-应变曲线随加载速率的变化趋势相似（先升后降）。然而，盐水冰的应力上升与下降过程均更为平缓，尤其在低加载速率下表现出更高的稳定性。相比之下，淡水冰的应力变化更为剧烈，其曲线在高加载速率下常呈现显著波动，反映了其内部结构对应变加载的复杂力学响应。
由图10可知，在低加载速率区间（v=0.05～5 mm/min），当加载速率较小时（v=0.05 mm/min），仅试样顶部发生微幅体积膨胀，未见宏观破坏。当加载速率增加至v=1 mm/min时，顶部与中部显著膨胀，伴生放射状翼型裂纹群。在进入中高加载速率阶段（v=10 mm/min），试样发生贯穿性膨胀型破坏，但仍能维持基本结构完整性。当加载速率超过v=100 mm/min后，破坏机制发生根本性转变，试样主要呈现以中部剪切滑移面为主导的脆性剪切破坏模式，且随着加载速率的持续增加，冰试样越难保持完整性。
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图 10 −10℃盐水冰的典型破坏特征 Fig. 10 Typical failure characteristics of saltwater ice at −10℃ |
2）−20℃下盐水冰（见图11）
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图 11 −20℃盐水冰的压缩强度 Fig. 11 Compressive strength of brine ice at −20℃ |
同−10℃盐水冰相比，−20℃盐水冰的压缩强度-应变速率关系曲线、应力-应变和破坏模式，呈现相同的变化趋势。但−20℃盐水冰压缩强度峰值提高了60%，由1.56 MPa提升至2.5 MPa。
3）−30℃下盐水冰（见图12）
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图 12 −30℃盐水冰的压缩强度 Fig. 12 Compressive strength of saltwater ice at −30℃ |
同−10℃和−20℃盐水冰相比，−30℃盐水冰的压缩强度-应变速率关系曲线、应力-应变和破坏模式，呈现相同的变化趋势。但−30℃盐水冰压缩强度峰值提高了78%，由2.5 MPa提升至4.45 MPa，且最大峰值压缩强度对应的应变速率由1.39×10−3 s−1转移至4.16×10−4 s−1，表明在−30℃条件下，在更低的应变速率下就开始了从韧性向脆性的转变。
2.3 单轴压缩强度与温度的关系图13为不同温度下淡水冰和盐水冰压缩强度与应变速率关系曲线。随温度降低，两类冰的压缩强度峰值显著提升，且韧脆转变点向低应变率方向迁移；淡水冰的韧脆转变点对应应变率显著低于盐水冰；在高应变速率时，压缩强度对温度的敏感性明显减弱。
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图 13 不同温度压缩强度-应变速率曲线 Fig. 13 Compressive strength-strain rate curves at different temperatures |
本文在−30～−10℃温区间内，通过不同应变率（6.944×10−6~6.944×10−2 s−1）下的淡水冰与盐水冰单轴压缩试验，系统对比了两类冰的压缩强度、应力-应变曲线及破坏模式差异，主要结论如下：
1）随着应变率增加，淡水冰压缩强度呈现先上升后下降的演变规律，试样破坏模式随应变率递增依次经历从膨胀破坏到劈裂破坏再到碎裂破坏的典型转变。
2）随着应变率增加，盐水冰压缩强度呈现先上升后下降的演变规律，但整体压缩强度小于淡水冰试样压缩强度，其破坏形式呈现了膨胀形式破坏-剪切形式破坏的转变过程。
3）同一温度下淡水冰压缩强度高于盐水冰压缩强度，且淡水冰的韧脆转变点对应应变率显著低于盐水冰。
4）淡水冰和盐水冰的压缩强度会随着温度降低而逐渐增加，且韧脆转变点向低应变率方向迁移；相较于低应变速率下温度对压缩强度的影响，高应变速率下，压缩强度对温度的敏感性明显减弱。
基于以上研究结果，针对船冰碰撞模型试验中模型冰的选择，建议淡水冰适用于模拟高压缩强度、低韧脆转变临界应变率的冰载荷工况，在需要模拟较低临界应变率时更具优势；盐水冰适用于模拟较低压缩强度、较高韧脆转变临界应变率的冰载荷工况，其力学行为在低应变率下相对更稳定。
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